用于减少质量且提高密封可靠性的wvt设计的制作方法

专利名称：用于减少质量且提高密封可靠性的wvt设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，更具体地，涉及用于燃料电池系 统的水汽传送单元。
背景技术：
如今，在广泛的各种应用中正越来越多地将燃料电池系统用 作动力源。例如，已经提出将燃料电池系统用于在诸如车辆这样的动力 消耗装置中作为内燃机的代替者。在共有的序列号为No. 10/418,536的 美国专利申请中公开了这样的系统，因此在这里通过引用将其全部内容 并入本文。还可以将燃料电池系统用作建筑物和住宅中的固定电力设 备，像视频摄像机、计算机及其类似物中的便携式电源那样。通常，燃 料电池系统生成用来给电池充电或者为电动机提供电力的电。燃料电池是电化学装置，其直接将燃料(例如，氬)和氧化 剂(例如，氧)结合，以产生电。通常由空气流来供应氧。氢和氧结合， 结果形成水。举例而言，也能够使用其它燃料，例如，天燃气、甲醇、 汽油、以及煤基合成燃料。燃料电池系统所使用的基本过程是高效的，基本无污染的， 安静的，不受运动部件(除了空气压缩机、冷却风扇、泵和致动器)影 响的，并且可以被构造成仅留下热和水作为副产品。通常将术语"燃料 电池，，用来指单个电池或者多个电池，这取决于其被使用的环境。通常 将多个电池捆扎在一起，并布置以形成堆，其中通常按照电串联形式来 布置该多个电池。因为可以将单个燃料电池组装到各不相同的尺寸的堆 中，所以可以对系统进行设计以产生期望的电能输出电平，为不同的应 用提供设计上的灵活性。举例而言，可以提供不同的燃料电池类型，例如，磷酸型、 碱性的、熔融碳酸盐型、固体氧化物型、质子交换膜型(PEM)。 PEM 型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电解质分开的两个电极。每个电极 在一侧上均覆盖有薄的催化剂层。电极、催化剂、以及膜一起形成膜电
6极组件(MEA)。在典型的PEM型燃料电池中，将MEA夹在"阳极，，与"阴 极"扩散介质(在下文中称为"DM's")或者扩散层之间，该扩散介质 或者扩散层由富有弹性的、传导性的、以及透气的材料(例如，碳织物 或纸)形成。DM's起到用于阳极和阴极的初级电流收集器的作用，并且 为MEA提供机械支撑。替代性地，DM可包含催化剂层，并且与膜接 触。将DM's和MEA压在一对导电板之间，该导电板起到用来从初级电 流收集器那里收集电流的次级电流收集器的作用。在双极板情形中，该 板在堆内相邻电池之间传导电流，而在处于堆的一个端部处的单极板情 形中，该板向堆外传导电流。次级电流收集器板均包含至少一个作用区域，该区域对经过 阳极与阴极主面之上的气态反应物进行分配。这些作用区域(也通称为
流场)，通常包括多个岸，该多个岸与初级电流收集器接合，并在它们 之间限定了多个槽或者流动通道。这些通道向位于PEM各侧之上的电 极供应氢和氧。特别地，氢通过该通道流向阳极，在那里催化剂促进质 子和电子的分离。在PEM的相对侧上，氧通过该通道流向阴极，在那 里氧吸引穿过PEM的质子。通过外部电路将电子作为有用的能量而俘 获，并且在阴极侧电子与质子、氧结合以产生水汽。许多燃料电池均使用也被称为聚合物电解质膜的内部膜，例 如，包含质子交换膜的PEM型燃料电池。为了工作在期望的效率范围 内，希望将膜维持在潮湿状况中。因此，提供一种用来将燃料电池膜维 持在潮湿状况中的手段是非常必要的。这有助于避免对膜的损坏或者缩 短膜的寿命，并有助于保持期望的工作效率。举例而言，较低含水量的 膜会导致较高的质子传导电阻，从而造成较高的电阻性电压损耗。为了 在膜内维持足够的含水量，期望对供给气体的加湿(特别是在阴极入口 处)。在共有的美国专利No. 7,036,466 ( Goebel等人)、共有的美国专 利申请No. 10/912,298 ( Sennoun等人)、以及共有的美国专利申请No. 11/087,911 (Forte)中对燃料电池中的加湿都进行了详述，这里通过引 用将这些文献的每一个的全部内容均并入本文。为了维持期望的潮湿水平，常常使用空气加湿器来对燃料电 池中所用的空气流进行加湿。空气加湿器常包括安装在该空气加湿器壳 体内的圆形或盒型的空气加湿模块。在美国专利No. 7,156,379 ( Tanihara
7等人)以及美国专利No. 6,471,195中示出并描述了这种类型的空气加湿已经采用了诸如水汽传送(WVT)单元这样的膜加湿器来 满足燃料电池加湿的需要。对于车用燃料电池加湿应用而言，这样的膜 加湿器必须紧凑，具有低的压降，并拥有高的运行特性。典型的膜加湿 器包括湿板，该湿板包括形成在其内且与DM相邻的多个流动通道。这 些流动通道适于从燃料电池的阴极向排气运送湿润的流体。典型的膜加 湿器还包括干燥板，该干燥板包括形成在其内且与DM相邻的多个流动 通道。这些流动通道适于从气源向燃料电池的阴极运送干燥流体。可以 将类似的膜加湿器用于燃料电池的阳极侧，或者按照需要以其它方式使 用。为了避免从湿润侧到千燥侧的反应气体泄漏，膜加湿器必须是充分 密封的。从湿润侧到干燥侧或者从干燥侧到湿润侧的反应气体的损耗将 会影响流动通过膜加湿器的反应物的湿润水平，并且影响流动通过燃料 电池堆的反应物的化学计量关系。通常，流动通道形成在湿板与干燥板的两侧上，通过网状物 将其分开。网状物用来阻止形成流通通道的材料变形。通过将该网状物 用于板和流动通道的支撑，该板和流动通道的总尺寸增加，由此导致增 加的材料成本和制造成本，并且增加了膜加湿器的加工时间。由于膜加湿器的板的总尺寸增加，所以膜加湿器的热质量也 增加。热质量上的增加会导致以燃料电池为动力的车辆在起动操作期间 预热时间上的增加。在起动操作期间，膜加湿器通常仅仅由阴极反应物 流来升温。因此，由于膜加湿器的热质量增加，所以为了升温膜加湿器 所需的阴极反应物的量也增加了 。需要一种膜加湿器，其中最小化了该加湿器的尺寸、该膜加 湿器的材料成本、以及该膜加湿器的组装时间。

发明内容
令人惊喜地提供了 一种与本发明协调并且一致的膜加湿器， 其中最小化了该加湿器的尺寸、该膜加湿器的材料成本、以及该膜加湿 器的组装时间。在一个实施例中，用于燃料电池的膜加湿器组件包括基本 为平面的第一膜层；与该第一层间隔分开的基本为平面的第二膜层；与该第二层间隔分开的基本为平面的第三膜层；设置在该第一层与第二层 之间并且与它们的周围边缘相邻以便在它们之间形成第 一 流动通道的 第 一对间隔分开的密封条；设置在该第二层与第三层之间并且与它们的 周围边缘相邻以便在它们之间形成第二流动通道的第二对间隔分开的 密封条；被设置成与第二层相邻，并且在第二对密封条之间延伸的第一 支撑件；以及被设置成与第三平面层相邻，并且在该第二对密封条之间 延伸的第二支撑件。在另一个实施例中，用于燃料电池的膜加湿器组件包括基 本为平面的第一膜层；与该第一层间隔分开的基本为平面的第二膜层； 与该第二层间隔分开的基本为平面的第三膜层；设置在该第 一层与第二 层之间并且与它们的周围边缘相邻以便在它们之间形成第 一流动通道 的第一对间隔分开的密封条；设置在所述第一层与第二层之间、与它们 的周围边缘相邻，并且在该第 一对密封条之间延伸的第 一 多个有孔的密 封条；设置在该第二层与第三层之间并且与它们的周围边缘相邻以便在 它们之间形成第二流动通道的第二对间隔分开的密封条；被设置成与第 二层相邻，并且在第二对密封条之间延伸的第一支撑件；以及被设置成 与第三平面层相邻，并且在该第二对密封条之间延伸的第二支撑件。在另一个实施例中，提供了一种用于制造该燃料电池系统所
用的膜加湿器的方法，该方法包括步骤提供由膜形成的多个间隔分开
且基本为平面的层、多个密封条、多个支撑件；提供第一对密封条，并
且将该第一对密封条粘在第一平面层与第二平面层之间相邻于它们的
周围边缘之处，以形成第一流动通道；提供第二对密封条，并且将该第 二对密封条粘在第二平面层与第三平面层之间相邻于它们的周围边缘
之处，以形成第二流动通道；提供相邻于该第二平面层被设置且在该笫
二对密封条之间延伸的第 一支撑件，并且将该笫 一支撑件粘接到该第二 平面层；以及提供相邻于该第三平面层被设置且在该第二对密封条之间 延伸的第二支撑件，并且将该第二支撑件粘接到该第三平面层。


当依照附图进行考虑时，由以下对优选实施例的详细描述, 本发明的上述以及其它优点将变得相当明显，附图中图1是根据本发明一个实施例的膜加湿器的示意性透视



透视图。




透视图；

图2是图1的膜加湿器的一部分的放大透视图3是图2的膜加湿器沿线3-3剖取的剖^f见图4是图2的膜加湿器沿线4-4剖取的剖视图5是图2的膜加湿器的干燥流体通路的俯视图6是图2的膜加湿器的湿润流体通路的俯视图7是根据本发明的另一个实施例的膜加湿器的一部分的
图8是图7的膜加湿器沿线8-8剖取的剖;〖见图9是图7的膜加湿器沿线9-9剖取的剖视图
图IO是图7的膜加湿器的湿润流体通路的俯视图11是图7的膜加湿器的干燥流体通路的俯视图12是根据本发明的又一个实施例的膜加湿器的一部分的
图13是图12的膜加湿器沿线13-13剖取的剖视图； 图14是图12的膜加湿器沿线14-14剖取的剖视图。
具体实施例方式以下详细描述和所附附图描述并说明了本发明的各种示例 性实施例。该描述和附图用于使本领域中的技术人员能够制造并使用该 发明，并非意图以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法中所 展示的步骤在本质上均是示例性的，因此该步骤的顺序既不是必需的也 不是关键性的。图1示意性示出了用于燃料电池系统(未示出)阴极侧的膜 加湿器10。不过，应当理解的是，也可以将该膜加湿器10用于燃料电 池系统的阳极侧，或者按照需要以任何其它方式加以使用。膜加湿器10 包括适于接纳湿润流体的湿润侧12,以及适于接纳干燥流体的干燥侧 14。正如此处所用，湿润流体意指，诸如空气以及02、 N2、 H20和H2 的气体混合物这样的流体，在湿润流体中包含有水汽和/或液态水，其水 平要比干燥流体的高。干燥流体意指，诸如空气以及02、 N2、 H20和 H2的气体混合物这样的流体，在干燥流体中缺乏水汽，或者包含有比湿 润流体的水平更低水平的水汽和/或液态水。导致流动通过湿润侧12的 湿润流体的压力比导致流动通过干燥侧14的干燥流体的压力低。如图1中所示，形成在湿润侧12的流动通道16适于从燃料电池系统的阴才及向 排气(未示出)运送湿润流体。形成在干燥侧14的流动通道18适于从 流体源(未示出)向燃料电池系统的阴极运送干燥流体。应当理解的是， 可依照需要使用其它气体或气体混合物。在图2~6所示的实施例中，膜加湿器210包括一对流动通 道216、 216'以运送湿润流体，以及一对流动通道218、 218'以运送干 燥流体。应当理解的是，依照需要可在膜加湿器210中形成任意数目的 流动通道。如图2中所示，将湿润侧212的流动通道216、 216'设置成 与干燥侧214的流动通道218、 218'相垂直，以便提供交叉流动配置。 不过，依照需要，也可以使用诸如同向流动或反向流动那样的其它配置。为了形成膜加湿器210,将第一对间隔分开的密封条220设 置在基本为平面的第 一膜层222与基本为平面的第二膜层224之间。将 该第一对密封条220粘接到该第一膜层222与第二膜层224的周围边缘 处，以便在它们之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流动通道 218。将第二对间隔分开的密封条226垂直于该第一对密封条220设置 在该第二膜层224与基本为平面的第三膜层228之间。将该第二对密封 条226粘接到该第二膜层224与第三膜层228的周围边缘处，以便在它 们之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流动通道216 。将第三对间隔分开的密封条230平行于该笫一对密封条220 设置在该第三膜层228与基本为平面的第四膜层232之间。将该第三对 密封条230粘接到该第三膜层228与第四膜层232的周围边缘处，以便 在它们之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流动通道218'。将第 四对间隔分开的密封条234垂直于该第一对密封条220设置在该第四膜 层232与基本为平面的第五膜层236之间。将该第四对密封条234粘接 到该第四膜层232与笫五膜层236的周围边缘处，以便在它们之间形成 基本上不透流体的密封，由此形成流动通道216'。在图2~6所示的实施例中，密封条220、 226、 230、 234可 以由钢、聚合物、石墨、以及复合材料中的一种形成。膜层222、 224、 228、 232、 236可以由任何常^见的膜形成，例如，全氟石黄酸型(PFSA) (诸如以商标Nafion⑧销售的膜)，亲水性聚合物膜，基于碳氢化合物的 膜，以及聚合物复合膜。依照需要，可以将其它材料用于密封条220、 226、 230、 234以及膜层222、 224、 228、 232、 236。
ii
将第一支撑件238设置成相邻于该第二膜层224并位于第二 对密封条226之间，将第二支撑件240设置成相邻于第三膜层228并在 第二对密封条226之间延伸。相应地，将第一支撑件238粘接到第二膜 层224，将第二支撑件240粘接到第三膜层228。将第三支撑件242设 置成相邻于第四膜层232并位于第四对密封条234之间，将第四支撑件 244设置成相邻于第五膜层236并位于第四对密封条234之间。相应地， 将第三支撑件242粘接到第四膜层232，将第四支撑件244粘接到第五 膜层236。依照需要，支撑件238、 240、 242、 244可以与密封条226、 234的一部分重叠。依照需要，可将支撑件238、 240、 242、 244粘接到 密封条226、 234。支撑件238、 240、 242、 244可以由泡沫材料、波纹 金属箔、网板、以及纸中的一种形成。支撑件238、 240、 242、 244还 可以包括设置在相邻支撑层之间的基本平面的、细长的聚合物条带阵 列，以在相邻支撑层之间限定多个流动通道，类似于共有的序列号为 No. 11/868,760的美国专利申请中的膜加湿器，因此在此通过引用将该 文献的全部内容并入本文。依照需要，可以将支撑件仅仅设置在形成于 湿润侧212中的通道内，这是因为通过湿润侧212的湿润流体的流动具 有的压力比流动通过干燥侧214的干燥流体的压力低。由此，仅流动通 过干燥侧214的流体会将作用力传到膜加湿器210的膜上。为了组装膜加湿器210,将粘合剂涂至密封条220、 226、 230、 234和/或膜层222、 224、 228、 232、 236的周围边缘处。还可将粘合剂 涂至支撑件238、 240、 242、 244,或者涂至膜层222、 224、 228、 232、 236中粘接支撑件238、 240、 242、 244的部分。可以就在组装之前将粘 合剂手动涂到部件上，或者预期为稍后的组装可以在制造该部件期间将 粘合剂形成在该部件上。可以在膜加湿器210的所有部件的最后组装之 前，将各个部件(例如，支撑件238、 240、 242、 244以及膜层222、 224、 228、 232、 236)粘接在一起。依照需要，粘合剂可以是例如B阶段环 氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、压敏粘合剂、以及任 何其它常规粘合剂中的 一种。 —旦将粘合剂涂至膜加湿器210的期望部件上，则将压缩负 载施加到膜加湿器210上以确保各个部件的期望粘接量，以便在它们之 间形成不透流体的密封，阻止在干燥侧214与湿润侧212之间所不期望 的反应气体的泄漏。通过密封膜加湿器210的部件以及阻止泄漏，最大程度符合被促使流动通过燃料电池系统的反应物的化学计量关系以及
最大化燃料电池系统的性能。进一步地，通过将膜加湿器210的各个部 件粘接到一起，无需使用手动的紧固件、板、以及本领域中公知的其它 部件，因而将膜加湿器210的组装的复杂度以及其重量最小化。通过最 小化膜加湿器210的重量，将膜加湿器210的热质量最小化，由此增加 了膜加湿器210的效率，并将其预热时间最小化。如图3中所示，在膜 加湿器210的压缩期间，将适于支撑形成流动通道218、218'的膜层222、 224、 228、 232的多个可移除的工具246设置在流动通道218、 218'内 以阻止流动通道218、 218'的变形。 一旦膜加湿器21(M皮压缩，且它的 各个部件被粘接到一起，则将工具246从流动通道218、 218'移除。在操作中，使湿润流体流动通过形成在膜加湿器210的湿润 侧212内的流动通道216、 216'。从湿润流体的供应处(例如，燃料电 池系统的阴极出口 )接收该湿润流体。可以使用任何常规手段将湿润流 体l命送到流动通道216、 216',例如，与该流动通道216、 216'连通的 供应集管。湿润流体从流动通道216、 216'出来后，纟皮促使流向排气。 使干燥流体流动通过形成在干燥侧214内的流动通道218、 218'。从干 燥流体供应处接收该干燥流体。可以使用任何常规手段将干燥流体输送 到流动通道218、 218',例如，与流动通道218、 218'连通的压缩才几。然 后，干燥流体从形成在干燥侧214内的流动通道218、 218'出来，流到 燃料电池系统的一个部件处，例如燃料电池堆供应集管(未示出)。在湿润流体通过流动通道216、 216'的流动以及干燥流体通 过流动通道218、 218'的流动期间，从湿润流体到干燥流体的水分子传 送可以包括以下;^莫式A)在湿润侧212的流动通道216、 216'与干燥 侧214的流动通道218、 218'内的水汽的对流质量传送；B)通过与湿润 侧212的流动通道216、 216'相邻的膜层224、 228、 232、 236以及与 干燥侧214的流动通道218、 218'相邻的膜层222、 224、 228、 232的 扩散传送；C)通过扩散，穿过膜层222、 224、 228、 232、 236的水汽 传送。另外，如果在湿润侧212的流动通道216、 216'与干燥侧214的 流动通道218、 218'之间存在压差，那么通过液压作用力穿过膜层222、 224、 228、 232、 236来传送水分。另外，如果湿润流体和干燥流体处于 不同的温度，那么/人热流体到膜层222、 224、 228、 232、 236，以及/人 膜层222、 224、 228、 232、 236再到冷流体的热传递也会影响水汽的传
13送。在体相方面，水分还可以冷凝或者蒸发，即在RH〉 100%时任一流 体均可含有携带的液态水。与水通量相关联，在湿润流体与干燥流体之 间还可存在焓交换。图7~11示出了根据本发明的另一个实施例的膜加湿器 710。除了以下所描述的之外，图7~ 11的实施例类似于图2-6的膜加 湿器210。对于与图2-6中相似的结构，图7~ 11中包括了以700系列 代替200系列的附图标记，而保持余下的两位数字相同。在图7~11的实施例中，膜加湿器710包括一对流动通道 716、 716'以运送湿润流体，以及一对流动通道718、 718'以运送干燥 流体。应当理解的是，依照需要，可以在膜加湿器710内形成任意数目 的流动通道。如图7中所示，垂直于干燥侧714的流动通道718、 718'设 置湿润侧712的流动通道716、 716'，以提供交叉流动配置。不过，依 照需要，也可以使用诸如同向流动或反向流动那样的其它配置。为了形成膜加湿器710,将第一对间隔分开的密封条720设 置在基本为平面的第 一膜层722与基本为平面的第二膜层724之间。将 第 一对密封条720粘接到第 一膜层722与第二膜层724的周围边缘处， 以便在它们之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流动通道718。 将第二对间隔分开的密封条726垂直于密封条720设置在第二膜层724 与基本为平面的第三膜层728之间。将第二对密封条726粘接到第二膜 层724与第三膜层728的周围边缘处，以便在它们之间形成基本上不透 流体的密封，由此形成流动通道716。将第三对间隔分开的密封条730 平行于第 一对密封条720设置在第三膜层728与基本为平面的第四膜层 732之间。将第三对密封条730粘接到第三膜层728与第四膜层732的 周围边缘处，以便在它们之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流 动通道718'。将第四对间隔分开的密封条734垂直于第一对密封条720 设置在第四膜层732与基本为平面的第五膜层736之间。将第四对密封 条734粘接到第四膜层732与第五膜层736的周围边缘处，以便在它们 之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流动通道716'。在图7~11 的实施例中，依照需要，密封条720、 726、 730、 734可以由钢、聚合 物、石墨以及复合材料中的一种形成。膜层722、 724、 728、 732、 736 可以由任何常规的膜形成，例如，全氟磺酸型(PFSA)(诸如以商标 Nafion⑧销售的膜)，亲水性聚合物膜，基于碳氩化合物的膜，以及聚合物复合膜。依照需要，可以将其它材料用于密封条720、 726、 730、 734 以及膜层722、 724、 728、 732、 736。第 一对间隔分开的、有孔的密封条48被设置在第 一膜层722 与第二膜层724之间，并且在第一对密封条720之间延伸。将第一对有 孔的密封条48粘接到第一膜层722与第二膜层724的周围边缘处。第 二对间隔分开的、有孔的密封条54被设置在第三膜层728与第四膜层 732之间，并且在第三对密封条730之间延伸。将第二对有孔的密封条 54粘接到第三膜层728与第四膜层732的周围边缘处。在所示的实施例 中，该有孔的密封条48、 54由基本平面的构件50相邻于锯齿状构件52 设置并且粘接到该锯齿状构件而形成，由此在其中形成与相应的流动通 道718、 718'流体连通的孔。应当理解的是，依照需要，有孔的密封条 48、 54由具有孔的单个构件形成。依照需要，有孔的密封条48、 54可 以由钢、聚合物、石墨以及复合材料中的一种形成。将第 一 支撑件73 8设置成与第二膜层724相邻且位于第二对 密封条726之间，将第二支撑件740设置成与第三膜层728相邻且在第 二对密封条726之间延伸。相应地，将第一支撑件738粘接到第二膜层 724，将第二支撑件740粘接到第三膜层728。将第三支撑件742设置成 与第四膜层732相邻且位于第四对密封条734之间，将第四支撑件744 设置成与第五膜层736相邻且位于笫四对密封条734之间。相应地，将 第三支撑件742粘接到第四膜层732,将第四支撑件744粘接到第五膜 层736。支撑件738、 740、 742、 744适于阻止由通过膜加湿器的干燥侧 714的流体流动所导致的膜层722、 724、 728、 732、 736的偏斜或者扭 曲。依照需要，支撑件738、 740、 742、 744可以与密封条726、 734的 一部分重叠。依照需要，可将支撑件738、 740、 742、 744粘接到密封 条726、 734。支撑件738、 740、 742、 744可以由泡沫材料、波紋金属 箔、网板、以及纸中的一种形成。支撑件738、 740、 742、 744还可以 包括设置在相邻支撑层之间的基本平面的、细长的聚合物条带阵列，以 在相邻支撑层之间限定多个流动通道。依照需要，可以将支撑件仅仅设 置在形成于湿润侧712中的通道内，这是因为通过湿润侧712的湿润流 体的流动具有的压力比流动通过干燥侧714的干燥流体的压力低。由此， 仅流动通过干燥侧714的流体会将作用力传到膜加湿器710的膜层上。为了组装膜加湿器710,将粘合剂涂至密封条720、 726、 730、
15734、 48、 54和/或膜层722、 724、 728、 732、 736的周围边缘处。还可 将粘合剂涂至支撑件738、 740、 742、 744,或者涂至膜层722、 724、 728、 732、 736中粘接支撑件738、 740、 742、 744的部分。可以就在组 装之前将粘合剂手动涂到部件上，或者预期为稍后的组装可以在制造该 部件期间将粘合剂形成在该部件上。同样，可以在膜加湿器710的所有 部件的最后组装之前，将各个部件(例如，支撑件738、 740、 742、 744 以及膜层722、 724、 728、 732、 736)粘接在一起。依照需要，粘合剂 可以是，例如B阶段环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、 压敏粘合剂、以及任何其它常规粘合剂中的一种。 —旦将粘合剂涂至膜加湿器710的期望部件上，则将压缩负 载施加到膜加湿器710上以确保各个部件的期望粘接量，以便在它们之 间形成不透流体的密封，阻止在干燥侧714与湿润侧712之间所不期望 的反应气体的泄漏。通过密封膜加湿器710的部件以及阻止泄漏，最大 化了被促使流动通过燃料电池系统的反应物的化学计量以及燃料电池 系统的性能。进一步地，通过将膜加湿器710的各个部件粘接到一起， 无需使用手动的紧固件、板、以及本领域中公知的其它部件，因而将膜 加湿器710的组装的复杂度以及其重量最小化。通过最小化膜加湿器 710的重量，从而将膜加湿器710的热质量最小化，由此增加了膜加湿 器710的效率，并将其预热时间最小化。如图7中所示，在膜加湿器710 的压缩期间，有孔的密封条48、 54适于支撑膜层722、 724、 728、 732, 同时便于干燥流体流动通过形成在密封条48、 54中的孔。有孔的密封 条48、 54适于支撑形成流动通道718、 718'的膜层722、 724、 728、 732, 以在压缩期间阻止膜层722、 724、 728、 732的变形。在操作中，使干燥流体流动通过形成在有孔的密封条48、 54内的孔，通过形成在干燥侧714内的流动通道718、 718'，通过形成 在其余的有孔的密封条48、 54内的孔，然后到达例如燃^F电池堆供应 集管(未示出)的燃料电池系统部件。从干燥流体供应处接收干燥流体。 可以使用任何常规手段将干燥流体输送到流动通道718、 718'，例如， 与该流动通道718、 718'连通的压缩机。4吏湿润流体流动通过形成在湿 润侧712内的流动通道716、 716'。 >^人湿润流体的供应处(例如，^v燃 料电池系统的阴极出口 )接收湿润流体。可以使用任何常规手段将湿润 流体输送到流动通道716、 716'，例如，与流动通道716、 716'连通的供应集管。然后湿润流体A^形成在湿润侧712内的流动通道718、 718'出 来后到达排气。图12-14示出了根据本发明的又一个实施例的膜加湿器 1210。除了以下所描述的之外，图12~14的实施例类似于图7~11的 膜加湿器710。对于与图7~11中相似的结构，图12~14中包括了以 1200系列代替700系列的附图标记，而保持余下的两位数字相同。在图12 ~ 14的实施例中，膜加湿器1210包括一对流动通道 1216、 1216'以运送湿润流体，以及一对流动通道1218、 1218'以运送 干燥流体。应当理解的是，依照需要，可以在膜加湿器1210内形成任 意数目的流动通道。如图12中所示，垂直于干燥侧1214的流动通道 1218、 1218'设置湿润侧1212的流动通道1216、 1216'，以l是供交叉流 动配置。不过，依照需要，也可以使用例如平行流动那样的其它配置。为了形成膜加湿器1210,将第一对间隔分开的密封条1220 设置在基本为平面的第一膜层1222与基本为平面的第二膜层1224之 间。将第一对密封条1220粘接到第一膜层1222与第二膜层1224的周 围边缘处，以便在它们之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流动 通道1218。将第二对间隔分开的密封条1226垂直于密封条1220设置在 第二膜层1224与基本为平面的第三膜层1228之间。将第二对密封条 1226粘接到第二膜层1224与第三膜层1228的周围边缘处，以便在它们 之间形成基本上不透流体的密封，由此形成流动通道1216。将笫三对间 隔分开的密封条1230平行于第一对密封条1220设置在第三膜层1228 与基本为平面的第四膜层1232之间。将第三对密封条1230粘接到第三 膜层1228与第四膜层1232的周围边缘处，以便在它们之间形成基本上 不透流体的密封，由此形成流动通道1218'。将第四对间隔分开的密封 条1234垂直于第一对密封条1220设置在第四膜层1232与基本为平面 的第五膜层1236之间。将第四对密封条1234粘接到第四膜层。32与 第五膜层1236的周围边缘处，以便在它们之间形成基本上不透流体的 密封，由此形成流动通道1216'。在图12-14的实施例中，依照需要，密封条1220、 1226、 1230、 1234可以由钢、聚合物、石墨以及复合材料中的一种形成。膜层 1222、 1224、 1228、 1232、 1236可以由任何常规的膜形成，例如，全氟 磺酸型(PFSA)(诸如商标Nafion⑧下销售的膜)，亲水性聚合物膜，基于碳氢化合物的膜，以及聚合物复合膜。依照需要，可以将其它材料用
于密封条1220、 1226、 1230、 1234以及膜层1222、 1224、 1228、 1232、 1236。第一对间隔分开的、有孔的密封条1248被设置在第一膜层 1222与第二膜层1224之间，并且在第一对密封条1220之间延伸。将第 一对密封条1248粘接到第一膜层1222与第二膜层1224的周围边缘处。 第二对间隔分开的、有孔的密封条1254被设置在第三膜层1228与第四 膜层1232之间，并且在第三对密封条1230之间延伸。将第二对有孔的 密封条1254粘接到第三膜层1228与第四膜层1232的周围边缘处。第 三对间隔分开的、有孔的密封条56被设置在第二膜层1224与第三膜层 1228之间，并且在第二对密封条1226之间延伸。将第三对有孔的密封 条56粘接到第二膜层1224与第三膜层1228的周围边缘处。应当理解 的是，依照需要，第三对有孔的密封条56可以由具有孔的单个构件形 成。第四对间隔分开的、有孔的密封条58被设置在第四膜层1232与笫 五膜层1236之间，并且在第四对密封条1234之间延伸。将第四对有孔 的密封条58粘接到第四膜层1232与第五膜层1236的周围边缘处。在 所示的实施例中，有孔的密封条1248、 1254、 56、 58由基本平面的构 件1250相邻于锯齿状构件1252设置并被粘接到该锯齿状构件上而形 成，由此在其中形成与相应的流动通道1218、 1218'、 1216、 1216'流体 连通的孔。应当理解的是，依照需要，有孔的密封条1248、 1254、 56、 58可以由具有孔的单个构件形成。在图12~ 14所示的实施例中，有孔 的密封条1248、 1254、 56、 58可以由钢、聚合物、石墨以及复合材料 中的一种形成。将第一支撑件1238设置成与笫二膜层1224相邻且位于第二 对密封条1226之间，将第二支撑件1240设置成与第三膜层1228相邻 且位于第二对密封条1226之间。相应地，将第一支撑件1238粘接到第 二膜层1224,将第二支撑件1240粘接到第三膜层1228。将第三支撑件 1242设置成与第四膜层1232相邻且位于第四对密封条1234之间，将第 四支撑件1244设置成与第五膜层1236相邻且位于第四对密封条1234 之间。相应地，将第三支撑件1242粘接到第四膜层1232,将第四支撑 件1244粘接到第五膜层1236。将第五支撑件60设置成与第一膜层1222相邻且位于第一对密封条1220之间，将第六支撑件62设置成与第二膜层1224相邻且位 于第一对密封条1220之间。相应地，将第五支撑件60粘接到第一膜层 1222,将第六支撑件62粘接到第二膜层1224。将第七支撑件64设置成 与第三膜层1228相邻且位于第三对密封条1230之间，将第八支撑件66 设置成与第四膜层1232相邻且位于第三对密封条1230之间。相应地， 将第七支撑件64粘接到第三膜层1228,将第八支撑件66粘接到第四膜 层1232。支撑件1238、 1240、 1242、 1244、 60、 62、 64、 66适于阻 止由通过膜加湿器的干燥侧714的流体流动所导致的膜层1222、 1224、 1228、 1232、 1236的偏斜或者扭曲。依照需要，支撑件1238、 1240、 1242、 1244、 60、 62、 64、 66可以与密封条1220、 1226、 1230、 1234 的一部分重叠。依照需要，可将支撑件1238、 1240、 1242、 1244、 60、 62、 64、 66粘接到密封条1220、 1226、 1230、 1234。在图12-14所示 的实施例中，支撑件1238、 1240、 1242、 1244、 60、 62、 64、 66可以 由多个基本平面的、细长的聚合物条带阵列68设置在相邻的基本为平 面的构件70之间而形成，构件70由泡沫材料、波紋金属箔、网板、以 及纸中的 一种形成。条带68和平面的构件70协作以在它们之间限定多 个流动通道。依照需要，可以将支撑件仅仅设置在形成于湿润侧1212 中的通道内，这是因为通过湿润侧1212的湿润流体的流动具有的压力 比流动通过干燥侧1214的干燥流体的压力低。由此，仅流动通过干燥 侧1214的流体会将作用力传到膜加湿器1210的膜层上。为了组装膜加湿器1210,将粘合剂涂至密封条1220、 1226、 1230、 1234、 1248、 1254、 56、 58,和/或涂至膜层1222、 1224、 1228、 1232、 1236的周围边缘处。还可将粘合剂涂至支撑件1238、 1240、 1242、 1244、 60、 62、 64、 66,或者涂至膜层1222、 1224、 1228、 1232、 1236 中粘接支撑件1238、 1240、 1242、 1244、 60、 62、 64、 66的部分。可 以就在组装之前将粘合剂手动涂到部件上，或者预期为稍后的组装可以 在制造该部件期间将粘合剂形成在该部件上。可以在膜加湿器1210的 所有部件的最后组装之前，将各个部件(例如，支撑件1238、 1240、 1242、 1244、 60、 62、 64、 66以及膜层1222、 1224、 1228、 1232、 1236)粘 接在一起。依照需要，粘合剂可以是例如B阶段环氧树脂、乙烯-醋酸 乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、压敏粘合剂、以及任何其它常规粘合剂中
19的一种。 一旦将粘合剂涂至膜加湿器1210的期望部件上，则将压缩负 载施加到膜加湿器1210上以确保各个部件的期望粘接量，以便在它们 之间形成不透流体的密封，阻止在干燥侧1214与湿润侧1212之间所不 期望的反应气体的泄漏。通过密封膜加湿器1210的部件以及阻止泄漏， 最大化了被促使流动通过燃料电池系统的反应物的化学计量以及燃料 电池系统的性能。进一步地，通过将膜加湿器1210的各个部件粘接到 一起，无需使用手动的紧固件、板、以及本领域中公知的其它部件，因 而将膜加湿器1210的组装的复杂度以及其重量最小化。通过最小化膜 加湿器1210的重量，将膜加湿器1210的热质量最小化，由此增加了膜 加湿器1210的效率，并将其预热时间最小化。如图12中所示，在膜加 湿器1210的压缩期间，有孔的密封条1248、 1254适于支撑膜层1222、 1224、 1228、 1232,同时还便于干燥流体流动通过形成在密封条1248、 1254内的孔。有孔的密封条1248、 1254适于支撑形成流动通道1218、 1218'的膜层1222、 1224、 1228、 1232，以阻止在压缩期间这些膜层的 变形。在膜加湿器1210的压缩期间，有孔的密封条56、 58适于支撑膜 层1224、 1228、 1232、 1236,同时便利于湿润流体流动通过形成在密封 条56、 58内的孔。有孔的密封条56、 58适于支撑形成流动通道1216、 1216'的膜层1224、 1228、 1232、 1236，以便在压缩期间阻止这些膜层 的变形。在操作中，使干燥流体流动通过形成在有孔的密封条1248、 1254内的孔，通过形成在干燥侧1214内的流动通道1218、 1218'，通过 形成在其余的有孔的密封条1248、 1254内的孔，然后到达例如燃料电 池堆供应集管(未示出)的燃料电池系统部件。从干燥流体供应处接收 干燥流体。可以使用任何常规手段将干燥流体输送到流动通道1218、 1218',例如，与该流动通道1218、 1218'连通的压缩沖几。4吏湿润流体流 动通过形成在有孔的密封条56、 58内的孔，通过形成在湿润侧1212内 的流动通道1216、 1216',通过形成在其余的有孔的密封条56、 58内的 孔，然后到达排气。由以上描述，本领域的技术人员能够容易地确定本发明的实 质性特征，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，能够实现对本 发明的各种改变和修改，以使本发明能够适用于各种用途和状况。
权利要求
1.一种用于燃料电池的膜加湿器组件，包括基本平面的第一膜层；与所述第一层间隔分开的、基本平面的第二膜层；与所述第二层间隔分开的、基本平面的第三膜层；第一对间隔分开的密封条，其设置在所述第一层与第二层之间相邻于它们的周边边缘处，以便在它们之间形成第一流动通道；第二对间隔分开的密封条，其设置在所述第二层与第三层之间相邻于它们的周边边缘处，以便在它们之间形成第二流动通道；第一支撑件，其设置成相邻于所述第二层，并且在所述第二对密封条之间延伸；以及第二支撑件，其设置成相邻于所述第三平面层，并且在所述第二对密封条之间延伸。
2. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，进一步包括设置在所述第一层与第二层之间相邻于它们的周边边缘处，并且在所述第一对密封条之间延伸的第 一 多个有孔的密封条。
3. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，进一步包括设置在所述第二层与第三层之间相邻于它们的周边边缘处，并且在所述第二对密封条之间延伸的第二多个有孔的密封条。
4. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，进一步包括相邻于所述第一层设置并在所述第一对密封条之间延伸的第三支撑件，以及相邻于所述第二层设置并在所述第 一对密封条之间延伸的第四支撑件。
5. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，所述笫一支撑件与所述第二支撑件由泡沫材料、波紋金属箔、网板、以及纸中的一种形成。
6. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，进一步包括设置在所述第一支撑件与第二支撑件之间的基本平面的细长条带阵列，以在所述第一支撑件与第二支撑件之间限定多个流动通道，所述条带由聚合物材料制成。
7. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，采用B阶段环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、以及压敏粘合剂中的至少一种，将所述第一对密封条粘接到所述第一层与第二层，将所述第二对密封条粘接到所述第二层与第三层。
8. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，采用B阶段环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、以及压敏粘合剂中的至少一种，将所述第一支撑件粘接到所述笫二层，将所述第二支撑件粘接到所述第三层。
9. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，所述膜是全氟磺酸型、亲水性聚合物膜、基于碳氢化合物的膜、以及聚合物复合膜中的一种。
10. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，所述第一对密封条与第二对密封条由钢、聚合物、石墨、以及复合材料中的至少一种形成。
11. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，所述第二流动通道适于接收被加湿的流体，所述第一流动通道适于接收具有比^皮加湿的流体湿度低的流体。
12. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，所述第一流动通道基本垂直于所述第二流动通道。
13. 根据权利要求1所述的膜加湿器，其特征在于，进一步包括设置在所述第一流动通道内并且适于支撑形成所述第一流动通道的所述第 一膜层与第二膜层的可移除的工具，其中所述工具在所述膜加湿器的压缩期间阻止所述第 一膜层与第二膜层的变形。
14. 一种用于燃料电池的膜加湿器组件，包括基本平面的第一膜层；与所述第一层间隔分开的、基本平面的第二膜层；与所述第二层间隔分开的、基本平面的第三膜层；第一对间隔分开的密封条，其设置在所述第一层与第二层之间相邻于它们的周边边缘处，以^更在它们之间形成第 一流动通道；第一多个有孔的密封条，其设置在所述第一层与所述第二层之间相邻于它们的周围边缘处，并且在所述第 一对密封条之间延伸；第二对间隔分开的密封条，其设置在所述第二层与第三层之间相邻于它们的周边边缘处，以便在它们之间形成第二流动通道；第一支撑件，其设置成相邻于所述第二层，并且在所述第二对密封条之间延伸；以及第二支撑件，其设置成相邻于所述第三平面层，并且在所述第二对 密封条之间延伸。
15. 根据权利要求14所述的膜加湿器，其特征在于，进一步包括 相邻于所述第一层设置并在所述第一对密封条之间延伸的第三支撑件， 以及相邻于所述第二层设置并在所述第一对密封条之间延伸的第四支 撑件。
16. 根据权利要求14所述的膜加湿器，其特征在于，进一步包括 设置在所述第一支撑件与第二支撑件之间的基本平面的细长条带阵列， 以在所述第 一支撑件与第二支撑件之间限定多个流动通道，所述条带由 聚合物材料制成。
17. 根据权利要求14所述的膜加湿器，其特征在于，采用B阶段 环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、以及压敏粘合剂中 的至少一种，将所述第一对密封条粘接到所述第一层与笫二层，将所述 第二对密封条粘接到所述第二层与第三层。
18. —种用于制造燃料电池系统所用的膜加湿器的方法，所述方法 包括步骤提供由膜形成的多个间隔分开且基本平面的层、多个密封条、以及 多个支撑件；提供第一对密封条，并且将所述第一对密封条粘接在第一平面层与 第二平面层之间相邻于它们的周围边缘处，以形成第 一流动通道；提供第二对密封条，并且将所述第二对密封条粘接在第二平面层与 第三平面层之间相邻于它们的周围边缘处，以形成第二流动通道；提供相邻于所述第二平面层设置且在所述第二对密封条之间延伸 的第一支撑件，并且将所迷第一支撑件粘接到所述第二平面层；以及提供相邻于所述第三平面层设置且在所述第二对密封条之间延伸 的第二支撑件，并且将所迷第二支撑件粘接到所述第三平面层。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括步骤 提供设置在所述第 一 层与第二层之间且相邻于它们的周围边缘处，并且 在所述第一对密封条之间延伸的第一多个有孔的密封条，以及设置在所 述第二层与第三层之间且相邻于它们的周围边缘处，并且在所述第二对密封条之间延伸的第二多个有孔的密封条。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括步骤 将可移除的工具设置在所述第一流动通道内，适于支撑形成所述第一流 动通道的所述第一膜层与第二膜层，其中所述工具在所述膜加湿器的压 缩期间阻止所述第 一膜层与第二膜层的变形。
全文摘要
本发明涉及用于减少质量且提高密封可靠性的WVT设计。具体地，公开了一种用于燃料电池系统的膜加湿器。其中，该膜加湿器包括多个膜层；设置在第一膜层与第二膜层之间相邻于它们的周界边缘处的第一对间隔分开的密封条，以形成第一流动通道；设置在第二膜层与第三膜层之间相邻于它们的周界边缘处的第二对间隔分开的密封条，以形成第二流动通道；以及多个支撑件。其中，将第一支撑件设置成相邻于第二平面层，并且在第二对间隔分开的密封条之间延伸，以及将第二支撑件设置成相邻于第三平面层，并且在第二对间隔分开的密封条之间延伸。
文档编号H01M8/04GK101635365SQ20091016048
公开日2010年1月27日 申请日期2009年7月23日 优先权日2008年7月23日
发明者G·M·罗布, S·G·格贝尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司